LED在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中的應(yīng)用分析

劉 兆

（江西乾照光電有限公司，南昌 330103）

0 引言

制造業(yè)是直接體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是區(qū)別發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家的重要因素。同時(shí)，制造業(yè)在每個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都占有重要份額，因此制造業(yè)重要性不容忽視。而在制造業(yè)中，自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)既節(jié)約了大量的人力物力，又直接決定著制造速度和制造產(chǎn)品的質(zhì)量。在傳統(tǒng)的自動(dòng)化檢驗(yàn)工序中，多采用紅外自動(dòng)檢測(cè)裝置，紅外自動(dòng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)品成本低、價(jià)格便宜。但是采用紅外檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)品必須要有方向性，紅外發(fā)射器必須對(duì)準(zhǔn)接收器，并且中間不能有阻擋物。而且測(cè)量的距離一般不超過(guò)7米、容易受到一些電磁波或相干光束的干擾。而LED技術(shù)除了擁有紅外檢驗(yàn)技術(shù)的一系列優(yōu)點(diǎn)外，還擁有耗電量低、使用壽命長(zhǎng)、高亮度和辨別度、低熱量、不受其他光源和電信號(hào)影響等優(yōu)勢(shì)。因此，LED技術(shù)在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用具有十分重要的研究意義。

1 優(yōu)化制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性

制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)的最重要衡量標(biāo)準(zhǔn)就是檢驗(yàn)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)紅外檢驗(yàn)技術(shù)和LED技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，才能提高自動(dòng)化檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高產(chǎn)品制造的效率。

傳統(tǒng)紅外自動(dòng)檢驗(yàn)裝置主要構(gòu)成有紅外發(fā)生裝置（紅外輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光窗口）、紅外探測(cè)器、紅外信號(hào)接收器（紅外傳感器）和信息處理系統(tǒng)等裝置組成[1]。紅外發(fā)生裝置是整個(gè)自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程中最為重要的組成部分，也是紅外檢驗(yàn)信息的獲取和反饋檢驗(yàn)信息操作的主要位置。紅外輻射源是指以發(fā)射紅外輻射為主的輻射體，紅外輻射源有許多不同的種類。在傳統(tǒng)制造業(yè)所采用的紅外輻射源一般采用能斯脫燈絲。這種燈絲采用鋯、釔和釷的氧化物燒結(jié)成而成，呈空心細(xì)棒，長(zhǎng)約25毫米，直徑約2毫米，引出電極為鉑絲[2]。常溫時(shí)阻值很高，具有負(fù)電阻溫度系數(shù)。使用時(shí)先加溫至幾百度，然后通電點(diǎn)亮，由高壓電能維持其溫度，并由鎮(zhèn)流器限制其加熱電流過(guò)大而引起燒損。

為此應(yīng)用LED技術(shù)，進(jìn)行制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)，LED檢驗(yàn)儀組成，主要由直接檢驗(yàn)光源（LED燈）、光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀、光纖、光譜分析儀等。LED自動(dòng)化檢驗(yàn)裝置的主要組成部分是LED燈，LED又稱為發(fā)光二極管。在制造業(yè)中主要應(yīng)用的LED種類有：普通單色發(fā)光二極管和高亮度單色發(fā)光二極管。普通單色發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓較低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且可用于各種直流、交流、脈沖等電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和點(diǎn)亮。這種二極管屬于電流控制型的半導(dǎo)體器件，使用時(shí)需串聯(lián)一個(gè)合適的限流電阻。通常，高亮度單色發(fā)光二極管使用砷鋁化鎵等材料制成，主要構(gòu)造如圖1所示。

LED技術(shù)的工作原理是，LED自動(dòng)檢驗(yàn)儀主要基于LED的工作原理，在制造業(yè)的產(chǎn)品檢驗(yàn)階段發(fā)揮識(shí)別作用，在組裝有LED的自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備中，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)品的LED的顏色和亮度進(jìn)行一次學(xué)習(xí)，并讀取一個(gè)相對(duì)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值的上下限，然后產(chǎn)品在流水線上采用LED進(jìn)行批量讀取，將待測(cè)產(chǎn)品的相對(duì)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，從而判斷良品和不良品，有效地保證測(cè)試測(cè)精度。與傳統(tǒng)紅外線自動(dòng)化檢驗(yàn)裝置不同，傳統(tǒng)紅外線自動(dòng)化檢驗(yàn)裝置是依靠探測(cè)產(chǎn)品發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行工作的。

圖1 發(fā)光二極管構(gòu)造圖

首先，紅外探測(cè)器能夠?qū)Ξa(chǎn)品的紅外輻射進(jìn)行收集并將紅外信息聚集到紅外傳感器上。而紅外傳感器一般使用熱釋電元件進(jìn)行信號(hào)收集，這種元件在接收了紅外輻射信號(hào)后，若信號(hào)發(fā)生變化，傳感器就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后對(duì)不符合要求的產(chǎn)品進(jìn)行記錄并報(bào)警。由于要檢測(cè)到大多數(shù)商品的紅外輻射，所以輻射敏感元件對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射非常敏感。最后由信息處理系統(tǒng)上傳產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)給操作人員，由相關(guān)人員對(duì)檢驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行處理。

傳統(tǒng)紅外自動(dòng)檢驗(yàn)裝置的優(yōu)勢(shì)在于，紅外檢驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備本身不發(fā)生任何輻射，并且器件相對(duì)與其他裝置較小，具有良好的隱蔽性。由于紅外裝置價(jià)格低廉，所以其廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中[3]。但是由于紅外裝置的一些缺點(diǎn)，使得傳統(tǒng)紅外自動(dòng)檢驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性相對(duì)較低。紅外裝置容易受到各種熱源、射頻輻射以及強(qiáng)光源的干擾。同時(shí)，由于紅外線的穿透力較差，較厚的產(chǎn)品的紅外輻射容易被遮擋，信號(hào)不易被紅外探測(cè)器接收；其次，當(dāng)工作環(huán)境與產(chǎn)品的溫度相近時(shí)，紅外檢驗(yàn)的靈敏度明顯降低，甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短時(shí)失靈。

LED技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)具有，工作電壓很低（有的不超過(guò)1伏）、工作電流很小、抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)調(diào)制電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。此外，LED自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備還具有傳統(tǒng)紅外檢驗(yàn)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

在發(fā)光效率和光通量方面，由于LED的低電壓、強(qiáng)發(fā)光的特性，不僅使得LED耗能極低，達(dá)到了綠色環(huán)保的目的，還使得LED的發(fā)光效率比傳統(tǒng)紅外及其他光源發(fā)光效率高出5倍～20倍，并且光通量是普通光源的10倍～25倍[4]；其次，在發(fā)光強(qiáng)度和光強(qiáng)分布方面，由于LED在不同的空間角度發(fā)出的光強(qiáng)差別很大，所以光強(qiáng)在空間里的分布是無(wú)規(guī)律性的，但是光強(qiáng)在一特定方向或范圍內(nèi)是極強(qiáng)的，能夠清晰地進(jìn)行收集和觀測(cè)。在產(chǎn)品自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程中，由于需要透過(guò)產(chǎn)品的光通量較大，因此這一方向的光強(qiáng)較大，探測(cè)器能夠快速清晰而準(zhǔn)確地接收光強(qiáng)信號(hào)，從而做出判斷；在波長(zhǎng)方面，LED的光譜上較寬的波段決定了LED擁有多種顏色，因此，根據(jù)不同質(zhì)量樣品的光通量不同和反射波段的不同，可以采用不同顏色的LED，能夠做到更高的產(chǎn)品優(yōu)良辨別率和缺陷的精準(zhǔn)定位。

2 改進(jìn)自動(dòng)檢驗(yàn)的直線性測(cè)量方式

LED自動(dòng)化檢驗(yàn)裝置實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)快速和自動(dòng)測(cè)試不同種類產(chǎn)品光通量的LED的顏色和亮度。每個(gè)LED檢驗(yàn)儀能同時(shí)測(cè)量多達(dá)20種不同的顏色和強(qiáng)度的光源。并從光纖（POF）收集光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后在數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量和分析。通過(guò)對(duì)LED檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，以及對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)化檢驗(yàn)的直線性測(cè)量方式的改進(jìn)，使得LED技術(shù)在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。應(yīng)用LED的自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）光強(qiáng)優(yōu)勢(shì)：LED較傳統(tǒng)光電材料具有光強(qiáng)方面的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)LED光響應(yīng)公式[5]：

式中，DS表示LED與接收器之間的距離，RS表示LED的響應(yīng)程度，IS表示LED的光強(qiáng)度。由于LED較其他光源具有響應(yīng)距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，在相同的接收距離下工作，會(huì)有較大的光強(qiáng)。因此，對(duì)于普通光源難以檢驗(yàn)的產(chǎn)品，就需要依靠光強(qiáng)一致且極大的LED技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。

其次，對(duì)于LED的光強(qiáng)空間來(lái)講，由于其發(fā)光面是圓蓋形狀的，光強(qiáng)空間分布是很特殊的，所以在不同的測(cè)量距離下，光強(qiáng)值會(huì)變化。根據(jù)光強(qiáng)與偏離距離平方成反比的關(guān)系式，即使固定了測(cè)量距離，但是由于接受器接受面曲率的不同，其不同位置的光強(qiáng)值也會(huì)變化。在LED頂端由于曲率最小，因此產(chǎn)生的光強(qiáng)最大，且光強(qiáng)方向保持一致。因此，為了提高測(cè)量精度，應(yīng)該把測(cè)量距離和接受面積大小相對(duì)地固定。例如，若檢驗(yàn)產(chǎn)品的距離采用316mm，信號(hào)接受器面積固定為10mm×10mm。在同一測(cè)量距離下，LED的光強(qiáng)較紅外信號(hào)更強(qiáng)，光強(qiáng)大約高出紅外信號(hào)10倍，且LED頂端一定范圍內(nèi)光強(qiáng)一致性較好[6]。

2）準(zhǔn)確性優(yōu)勢(shì)：LED技術(shù)因?yàn)楣庾V波段范圍較大，因此在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程中可以根據(jù)波長(zhǎng)差異來(lái)設(shè)置不同顏色的LED來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。這樣的設(shè)計(jì)保證了自動(dòng)化檢驗(yàn)擁有良好的重復(fù)性和不同的顏色區(qū)別，使得產(chǎn)品的尺寸、形狀、以及缺陷能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)出來(lái)[7]。按照制造業(yè)產(chǎn)品的不同要求，LED技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確地反映產(chǎn)品在空間的整體布局，用不同的LED色彩對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)域塊的劃分，確保缺陷和誤差區(qū)域的精確定位。同時(shí)，LED檢驗(yàn)了產(chǎn)品最全面的光學(xué)特性，確保了數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。LED檢驗(yàn)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 LED檢驗(yàn)范圍及參數(shù)

此外，信號(hào)的接收采用了1mm的光纖，以及串行的RS232、ICT和USB等多種數(shù)據(jù)接口，也保障了信號(hào)接收過(guò)程中不會(huì)丟失，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[8]。

3）其他優(yōu)勢(shì)：LED自動(dòng)化檢驗(yàn)較傳統(tǒng)紅外檢測(cè)還具有更多的優(yōu)勢(shì)，如分析儀傳感器靈敏度可調(diào)節(jié)、適用大多數(shù)產(chǎn)品檢測(cè)中且有多個(gè)數(shù)據(jù)通道、閃光和PWN（脈寬調(diào)制）可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試、安裝方便、適合小空間使用等。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證LED在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)，我們通過(guò)對(duì)空調(diào)組裝及質(zhì)檢的自動(dòng)化流水線進(jìn)行了實(shí)例的研究和分析。將LED自動(dòng)化檢驗(yàn)與紅外自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用相同的100臺(tái)空調(diào)機(jī)器，對(duì)成品機(jī)器的檢驗(yàn)效率、檢驗(yàn)精確度、合格率和缺陷等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證LED技術(shù)較傳統(tǒng)自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和本文提出LED技術(shù)的正確性和可操作性。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：首先，我們采用傳統(tǒng)紅外自動(dòng)化檢驗(yàn)裝置對(duì)100臺(tái)空調(diào)機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，除去檢驗(yàn)常規(guī)產(chǎn)品質(zhì)量、缺陷、廢品率等常規(guī)數(shù)據(jù)外，還對(duì)紅外檢驗(yàn)裝置的能耗、光通量、顯色性、使用電壓、響應(yīng)速度等參數(shù)進(jìn)行了觀察記錄；進(jìn)行完紅外自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程后，在相同的流水線上對(duì)相同的100臺(tái)空調(diào)機(jī)進(jìn)行LED自動(dòng)化檢驗(yàn)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與檢驗(yàn)參數(shù)與紅外檢驗(yàn)時(shí)保持一致。我們得到的對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)得到的紅外檢驗(yàn)與LED檢驗(yàn)的兩組對(duì)比數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于產(chǎn)品檢驗(yàn)質(zhì)量方面，LED自動(dòng)化檢驗(yàn)要比紅外自動(dòng)化檢驗(yàn)更加準(zhǔn)確，LED檢驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)出紅外技術(shù)不能檢驗(yàn)出的缺陷和問(wèn)題，因此LED檢驗(yàn)要比紅外檢驗(yàn)的范圍更廣，準(zhǔn)確度更高；而在產(chǎn)品檢驗(yàn)過(guò)程中，紅外檢驗(yàn)設(shè)備需要紅外發(fā)生器等設(shè)備需要的的能耗高、響應(yīng)速度慢，成像主要以黑白色為主，同時(shí)由于光通量不穩(wěn)定，所以成像上還存在色差。LED檢驗(yàn)設(shè)備則表現(xiàn)出能耗降低達(dá)84%，響應(yīng)速度大大提高，光通量穩(wěn)定、無(wú)色差，且成像為彩色、無(wú)色差影響。這也驗(yàn)證了LED檢驗(yàn)技術(shù)的一系列優(yōu)勢(shì)，證明LED在制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中具有良好的應(yīng)用前景。

表2 紅外、LED檢驗(yàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究LED技術(shù)相比傳統(tǒng)發(fā)光及紅外檢驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，我們對(duì)傳統(tǒng)的直線型、單一化的測(cè)量式自動(dòng)化檢驗(yàn)方式進(jìn)行了分析，LED自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)能夠改善傳統(tǒng)檢驗(yàn)的缺點(diǎn)，做到高效、快速、低能耗、高精度的產(chǎn)品檢驗(yàn)。通過(guò)實(shí)例研究，我們可以發(fā)現(xiàn)LED技術(shù)較傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法，精確度大幅提高，能耗也有大幅降低，完全符合預(yù)期結(jié)果和分析?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來(lái)的制造業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)過(guò)程中，LED技術(shù)擁有極為廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。